(57)【要約】【課題】  特許文献２に記載された摺動する弁の本体内部のガス流路による高速回転時の吸気抵抗または排気抵抗を減少させる。【解決手段】  副シリンダー２内に摺動する弁６を設ける。摺動する弁６用のクランクとコンロッド１０を設ける。吸気の副流路１３または排気ガスの副流路１３を設置する。摺動する弁本体６の上面とシリンダーヘッド５との間に、副シリンダー２の内部空間１４を形成する。副流路１３は、内部空間１４と接続し、エンジンの外部と連通する。吸気弁として使用する場合は、吸入行程時に主燃焼室と内部空間１４副流路１３とを連通させる。排気弁として使用する場合は、排気行程時に主燃焼室と内部空間１４と副流路１３を連通させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主シリンダーの外側に副シリンダーを設け、前記副シリンダーに開口部を設け、前記主燃焼室と前記副シリンダーの前記開口部を連絡し、前記副シリンダーの中心軸方向に摺動する弁の本体を前記副シリンダー内に設け、前記摺動する弁の本体は筒状側面を持ち、前記筒状側面に第一圧縮リングおよび第二圧縮リングを設け、前記副シリンダーの中心軸方向の距離に関して、前記副シリンダーの前記開口部の距離よりも両圧縮リング間の距離を大きく設定し、主燃焼室に頭上茸弁を設けるピストン式エンジンにおいて、
前記摺動する弁の本体とシリンダーヘッドとの間に前記副シリンダーの内部空間を設け、
前記内部空間に面して、吸気の副流路または排気ガスの副流路を設置し、
前記副流路は、前記エンジンの外部と連通し、
前記副流路は前記内部空間と接続し、
前記摺動する弁本体用のクランクとコンロッドを設置し、
前記クランクと前記コンロッドは前記副シリンダーの中心軸方向に前記摺動する弁の本体を移動させ、
前記クランクと前記コンロッドは前記エンジンによって駆動され、
前記主シリンダー用のクランクがニ回転する間に前記摺動する弁本体用のクランクが一回転し、        
前記の両圧縮リング間の前記筒状側面と前記副シリンダーの前記開口部が対面する位置に、前記摺動する弁本体用の前記クランクと前記コンロッドが前記摺動する弁の本体を移動させ、それにより、前記主燃焼室と前記内部空間とが隔離し、前記主燃焼室と前記副流路が隔離し、
前記内部空間と前記副シリンダーの開口部が面する位置に、前記摺動する弁本体用の前記クランクと前記コンロッドが前記摺動する弁の本体を移動させ、それにより、前記主燃焼室と前記内部空間と前記副流路が連通する事を特徴とする摺動する弁と頭上茸弁を持つピストン式エンジン。
【請求項２】
前記内部空間と前記主燃焼室内が連通する期間を、前記主ピストンの吸入行程期間内とし、前記摺動する弁本体の下死点時を前記摺動する弁本体の吸入行程の中間時とし、
前記主ピストンの圧縮行程の開始後から前記主ピストンの排気行程の終了前までに、前記の両圧縮リングがそれぞれ前記副シリンダーの前記開口部よりも上部と前記副シリンダーの前記開口部よりも下部に位置して、前記主燃焼室内の高圧ガスをシールし、
前記摺動する弁を吸気弁として使用する事を特徴とする前記の請求項１に記載した摺動する弁と頭上茸弁を持つピストン式エンジン。
【請求項３】
前記内部空間と前記主燃焼室内が連通する期間を、前記主ピストンの排気行程期間内とし、前記摺動する弁本体の下死点時を前記摺動する弁本体の排気行程の中間時とし、
前記主ピストンの吸入行程の開始後から前記主ピストンの膨張行程の終了前までに、前記の両圧縮リングがそれぞれ前記副シリンダーの前記開口部よりも上部と前記副シリンダーの前記開口部よりも下部に位置して、主燃焼室内のガスをシールし、
前記摺動する弁を排気弁として使用する事を特徴とする前記の請求項１に記載した摺動する弁と頭上茸弁を持つピストン式エンジン。
【請求項４】
前記内部空間と前記主燃焼室が連通する期間を主ピストンのクランク角度の２００度未満に設定する事を特徴とする前記の請求項２に記載した摺動する弁と頭上茸弁を持つピストン式エンジン。
【請求項５】
前記エンジンの前記主シリンダー用ピストンのストロークの長さをピストンの直径よりも小さくしない事を特徴とする前記の請求項２に記載した摺動する弁を持つピストン式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動する弁と頭上茸弁を持つピストン式エンジンとその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二重スリーブ弁を持つ例を、図７に示す。
この例は、東京都新宿区にある三栄書房が発行した“内燃機関の歴史”の２３７ページに記載されている第３．２４８図です。
この例で、ピストンの外側に二重にスリーブが設置されている。内側のスリーブ弁の開口部は、シリンダーヘッドに設置されたピストンリングに面して設置されている。スリーブ弁の外の空間は、吸気マニホールドまたは排気マニホールドです。主燃焼室と排気マニホールドが連通すると、燃焼ガスが排出される。
スリーブ弁の例では、スリーブの内側に接して、シリンダーヘッドにピストンリングが設置される。スリーブの内側に頭上茸弁を設置する場合は、このピストンリングが設置される溝の奥側の壁面を形成する部分が、頭上茸弁の設置面積を制限する。この結果、頭上茸弁の吸・排気効率が低下する。
【０００３】
４サイクルエンジンでは、高速回転時に、吸気抵抗と排気抵抗の量が増加する。
吸気カムの開弁期間初期は、開弁期間中期以降よりもリフト量が極端に少ない。高速回転になるほど、開弁期間初期の時間が短くなる。その結果、吸気の流入量が制限される。その結果、開弁期間初期のシリンダー内の圧力は、ピストンの裏側の圧力よりも低くなる。
この状態で、ピストンはピストンに圧力が加わる方向に逆らって下降し続ける。この為、負の仕事量が増える。この為、吸気抵抗による損失量が増加して、トルクが低下する。
実際に、山海堂発行の雑誌『内燃機関』１９９５年１１月号No. ４３４の９０ページに記載されている図８で、最大トルク値Ｌ１・Ｌ２よりも高速な回転速度域では、トルクカーブの頂点時Ｌ１・Ｌ２よりもトルクが低下している。
排気弁の開弁時から排気行程の下死点時までの開弁期間初期は、開弁期間中期よりも極端にリフト量が少ない。その結果、高速回転時の下死点時のシリンダー内圧力が、高くなる。この結果、下死点時直後の排気行程時に、排気抵抗による損失量が増加する。
図９に示す特許文献１のサイド・バルブ式燃焼室では、番号５４で示す主燃焼室がシリンダーの外側に拡張されている。その為に、ピストンの上面に面して、吸気弁と排気弁を増設できる。
しかし、特許文献１では、サイド・バルブが設置されている壁面とその対面とに挟まれた空間だけ、主燃焼室の容積が増加する。サイド・バルブのリフト量が大きいほど、この空間の容積が増加する。この為、ピストンの上面に面して設置する吸気弁とサイド・バルブを持つ燃焼室は高圧縮比化できない。この結果、効率が低下する。
【０００４】
ピストンのストロークの長さをピストンの直径よりも長くすると、燃焼ガスの変換効率が向上するが、高速回転時の吸気効率が低下し、高速回転時のトルクが低下する。反対に、ピストンのストロークの長さをピストンの直径よりも短くすると、高速回転時の吸気効率が向上するが、燃焼ガスの変換効率が低下する。
この為、従来の火花点火式エンジンは、ピストンのロング・ストローク化と高速回転時のトルクの増加を両立できなかった。
【０００５】
特許文献２に記載された第三態様は、摺動する弁の本体の内部に空洞を持つ。この空洞は、ガス流路です。摺動する弁の本体の直径が小さい場合は、ガス流路の流入抵抗が増加し、高速回転時の吸気量を制限する。また、ガス流路を作る為に、摺動する弁の本体の重量が増加し、回転速度の上限を制限する。
【特許文献１】特開２０００−２８２８１４（Ｐ２０００−２８２８１４Ａ）
【特許文献２】特願２００８-１２０８０１
【発明の開示】
【０００６】
発明の目的は、特許文献２に記載された摺動する弁の本体内部のガス流路による高速回転時の吸気抵抗または排気抵抗を減少させる。
発明の構成を説明する。
主シリンダーの外側に副シリンダーを設け、前記の副シリンダーに開口部を設け、前記主燃焼室と前記副シリンダーの前記開口部を連絡し、前記副シリンダーの中心軸方向に摺動する弁の本体を前記副シリンダー内に設け、前記摺動する弁の本体は筒状側面を持ち、前記筒状側面に第一圧縮リングおよび第二圧縮リングを設け、前記副シリンダーの中心軸方向の距離に関して、前記副シリンダーの前記開口部の距離よりも両圧縮リング間の距離を大きく設定し、主燃焼室に頭上茸弁を設けるピストン式エンジンにおいて、
前記摺動する弁の本体とシリンダーヘッドとの間に前記副シリンダーの内部空間を設ける。前記内部空間に面して、吸気の副流路または排気ガスの副流路を設置する。  
前記副流路は、前記エンジンの外部と連通する。
前記副流路は、前記内部空間と接続する。
前記摺動する弁本体用のクランクとコンロッドを設置する。
前記クランクと前記コンロッドは、前記副シリンダーの中心軸方向に前記摺動する弁の本体を移動させる。
前記のクランクとコンロッドは、前記エンジンによって駆動され、前記主シリンダー用のクランクがニ回転する間に前記摺動する弁本体用のクランクが一回転する。
前記摺動する弁本体の下死点時を前記摺動する弁本体の吸入行程の中間時とする。        
前記の両圧縮リング間の前記筒状側面と前記副シリンダーの前記開口部が対面する位置に、前記摺動する弁本体用の前記クランクと前記コンロッドが前記摺動する弁の本体を移動させ、それにより、前記主燃焼室と前記内部空間とが隔離し、前記主燃焼室と前記副流路が隔離する。
前記内部空間と前記副シリンダーの開口部が面する位置に、前記摺動する弁本体用の前記クランクと前記コンロッドが前記摺動する弁の本体を移動させ、それにより、前記主燃焼室と前記内部空間と前記副流路が連通する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
１図と２図を使って、第一実施形態を説明する。
本発明のエンジンは、頭上茸弁を持つなら火花点火ピストン式エンジンまたは圧縮着火式エンジンであり得る。
主シリンダー３内に、主ピストン７が設置される。主ピストン７と点火プラグ９は、主燃焼室１内空間に接して設置される。
副シリンダー２は、主シリンダー３の外側に設置される。副シリンダー２の設置場所は、シリンダーブロックに限定されず、シリンダーヘッド５にも設置できる。
副シリンダー２に開口部１１を設け、主燃焼室１と開口部１１を連絡する。主燃焼室１と副シリンダー２の開口部１１を結ぶ連絡通路４は、主シリンダー３に設置するだけでなく、シリンダーヘッド５にも設置できる。
副シリンダー２内に、副シリンダー２の中心軸方向に摺動する弁本体６を設ける。
摺動する弁本体６は、筒状側面を持つ。
摺動する弁本体６の筒状側面に、第一圧縮リング８と第二圧縮リング１２を設ける。
摺動する弁本体６と両圧縮リング８と１２が摺動する弁を構成する。
摺動する弁の本体６として、副ピストンを使用する。
副シリンダー２の中心軸方向の距離に関して、副シリンダー２の開口部１１の長さよりも、二つの圧縮リング８と１２の間の距離を大きく設定する。
以上の構成は、特許文献２に記載された第一態様と同様です。
【０００８】
摺動する弁本体６用のクランクとコンロッド１０を設ける。摺動する弁本体６用のクランクとコンロッド１０は、副シリンダーの中心軸方向に摺動する弁本体６を移動させる駆動装置です。
前記のクランクとコンロッド１０は、エンジンによって駆動され、主ピストン７用のクランクがニ回転する間に摺動する弁本体６用のクランクが一回転する。
吸気の副流路１３または排気ガスの副流路１３を設置する。副流路１３は、エンジンの外部と連通する。
摺動する弁の本体６の上面とシリンダーヘッド５との間に、副シリンダー２の内部空間１４を形成する。
副流路１３は、内部空間１４と接続する。
本発明は、前記の摺動する弁の本体内にガスの流路を設置しない。本発明は、このガスの流路を設置せずに、主燃焼室と前記の副流路を連通できる。これについて、以下に説明する。なお、このガスの流路は、特許文献２の第三態様に記載された摺動する弁本体の内側に設けられた空洞と同一です。
【０００９】
摺動する弁の動作を説明する。
２図に示す様に、副シリンダー２の開口部１１が副シリンダー２の前記空間７に面する位置に、前記の駆動装置が摺動する弁の本体６を移動させ、それにより、内部空間７と主燃焼室１とが連通し、主燃焼室１と副流路１３が連通する。
１図に示す様に、両圧縮リング８と１２の間の筒状側面と副シリンダー２の開口部１１が対面する位置に、前記の駆動装置が摺動する弁本体６を移動させ、それにより、内部空間７と主燃焼室１とが隔離し、主燃焼室１と副流路１３が隔離する。
摺動する弁の上記の動作により、摺動する弁本体６用の前記クランクと前記コンロッド１０と摺動する弁は、副流路１３と主燃焼室１の両者の連通と隔離を行う可変装置として機能する。
【００１０】
二つの圧縮リングの間の筒状側面と副シリンダーの開口部が対面する時、二つの圧縮リングが主燃焼室内の燃焼ガスをシールして、副シリンダー内の空間に燃焼ガスは流失しない。その為、燃焼ガスの圧力が摺動する弁本体の上面に加わらない。この時、二つの圧縮リングには、副シリンダー中心軸方向に関して、反対方向に同じ大きさの力が働く。
また、摺動する弁本体は、燃焼ガスの圧力を出力に変換しない。この点で、摺動する弁本体は、燃焼ガスの圧力を出力に変換するピストンとは異なる。
【００１１】
作用と効果を説明する。
第一実施形態では、特許文献２の前記第三態様に記載された摺動する弁の本体の内部に設置されたガス流路よりも、内部空間７が広く形成できる。従って、本発明は、副シリンダーの開口部と副流路との間の空間の流入抵抗を減少でき、吸気効率を向上できる。
また、摺動する弁の本体６の内部にガスの流路を作らない為に、特許文献２の第三態様に記載された摺動する弁の本体よりも、摺動する弁の本体６の重量が軽減でき、回転速度の上限も拡大できる。
【００１２】
前記摺動する弁は、主燃焼室に設置する頭上茸弁の面積を制限しない。その為、主燃焼室に設置する頭上茸弁の面積と摺動する弁の排気口または吸気口の面積との和が、従来例よりも増加する。この為、高速回転時の吸気・排気抵抗が減少できる。吸気抵抗が減少できる事によって、吸気量を増加できる。すると、高速回転時のトルクを増加できる。しかも、最大出力を発生する回転速度が増加する。すると、従来例よりも最大出力が増加する。
以上の作用と効果は、すべての実施形態に共通する。
従って、本発明は、発明の目的を解決できる。
【００１３】
第二以降の実施形態は、第一実施形態との相違点を説明する。
３図を使って、第ニ実施形態を説明する。
副流路１３は、主シリンダー用の吸気の流路または排気ガスの流路１６を介して、エンジンの外部と連通する。
４図を使って、第三実施形態を説明する。
摺動する弁の本体として、スリーブ１５を使用する。
【００１４】
第四実施形態を説明する。
第四実施形態では、摺動する弁を吸気弁として使用する。
圧縮行程と膨張行程に内部空間７と主燃焼室１内が連通すると、内部空間７を介して、主燃焼室１内のガスがエンジンの外部に流失する。その結果、エンジンが機能しない。
従って、内部空間７と主燃焼室１内が連通する期間を、主ピストンの吸入行程期間以内とする。内部空間７と主燃焼室１内が連通する状態を２図と４図に示す。
その結果、摺動する弁本体６のクランクの下死点時と摺動する弁本体６の吸入行程の中間時とが一致する。
燃焼行程中に、摺動する弁本体６の副シリンダー開口部１１に面する筒状側面に燃焼ガス圧力が作用する。すると、主燃焼室と反対側の副シリンダー内面に、燃焼ガスが前記摺動する弁本体６を押し付ける。燃焼行程中に摺動する弁が駆動装置によって移動されなければ、焼付きの問題が発生しない。しかし、燃焼行程中に摺動する弁が移動中ならば、摺動する弁本体６の焼付きの問題が発生する。
【００１５】
摺動する弁本体６の焼付きの問題は、燃焼行程中に摺動する弁が移動する距離に関係する。
燃焼行程中に摺動する弁が移動する距離が短い程、この問題が軽微になる。
この問題を軽微にする為には、燃焼行程中に摺動する弁が移動する距離を短くしなければならない。
その為には、摺動する弁本体６のクランクのストロークを短くする。また、摺動する弁本体６の吸入行程期間を主ピストンのクランク角度の２００度未満に設定すると、焼付きの問題を軽減できる。
主シリンダー３用のクランクの一回転を示す５図と摺動する弁本体６用のクランクの一回転を示す６図を使って、この理由を説明する。
【００１６】
摺動する弁本体６が移動する距離について、以下の二つの設定を比較する。
第一の設定は、吸入行程期間を主ピストンのクランク角度の２４０度の期間とする。第ニの設定は、吸入行程期間を２００度の期間とする。
第一の設定の場合に、摺動する弁本体６の下死点のＤ点が５図のＢ５点と一致する。Ｄ点は、６図に示される。Ｂ５点は、主ピストンの吸入行程の上死点後１２０度です。
５図に示すＢ５点から上死点のＡ５点までは、主ピストンのクランク角度の２４０度の期間です。主シリンダー３用のクランクがニ回転する間に、摺動する弁本体６用のクランクが一回転する。第一の設定では、５図のＡ５点の時期は６図のＢ点の時期と一致する。６図の下死点のＤ点からＢ点までは１２０度です。
第ニの設定の場合に、摺動する弁本体６の下死点のＤ点が５図のＣ５点と一致する。Ｃ５点は、主ピストンの吸入行程時の上死点後１００度の時点です。
Ｃ５点からＡ５点までは、主ピストンのクランク角度で示す２６０度の期間です。従って、第ニの設定では、５図のＡ５点の時期は６図のＣ点の時期と一致する。６図の下死点のＤ点からＣ点までは１３０度の期間です。
下死点後９０度のＥ点で、摺動する弁の移動速度が最も速くなる。そして、Ｅ点から離れるほど、移動する距離が小さくなる。
燃焼行程は、高温・高圧であり、焼き付きの危険が最も大きな期間です。また、燃焼行程は、およそ上死点から上死点後１０度の期間です。
従って燃焼行程の摺動する弁の移動距離に関して、第一の設定よりも、第ニの設定の移動距離が短くなり、焼付きの問題を軽減できる。第ニの設定よりも吸入行程期間を短くするほど、焼付きの問題を軽減できる。
【００１７】
第五実施形態を説明する。
第五実施形態では、摺動する弁を排気弁として使用する。
主ピストンの排気行程時に、主燃焼室１と内部空間７と副流路１３を連通させる。
内部空間７と主燃焼室１内が連通する期間を、主ピストンの排気行程期間内とする。従って、摺動する弁本体６の下死点時を、摺動する弁本体６の排気行程の中間時とする。
この場合も、摺動する弁を吸気弁として使用する場合と同様に、摺動する弁本体６の排気行程期間を主ピストンのクランク角度の２００度未満に設定すると、焼付きの問題を軽減できる。
【００１８】
第六実施形態を説明する。
従来の技術の欄に、燃焼ガスの変換効率の向上と高速回転時のトルクの増加の両立に関する問題を記載した。
この問題を解決する為には、摺動する弁を吸気弁として使用する第四実施形態のエンジンの主シリンダー用ピストンのストロークの長さをピストンの直径よりも小さくしない。すなわち、前記のエンジンのピストンのストロークの長さをピストンの直径とほぼ同等又はピストンの直径よりも大きくする。
すると、ショート・ストローク化したエンジンよりも、燃焼ガスの変換効率が向上する。しかも、エンジンの高速回転の吸気効率の低下を改善できる。すると、変換効率の向上と高速時のトルクの増加を両立できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】主燃焼室と副流路が隔離する場合の第一実施形態を説明する図。
【図２】主燃焼室と副流路が連通する場合の第一実施形態を説明する図。
【図３】第ニ実施形態を説明する図。
【図４】第三実施形態を説明する図。
【図５】主シリンダー用のクランクの一回転を示す図。
【図６】摺動する弁本体用のクランクの一回転を示す図。
【図７】東京大学名誉教授・富塚清が著作した“内燃機関の歴史”に記載された二重スリーブ弁を持つ従来例の図。
【図８】３ＲＺ-ＦＥエンジンと２２Ｒ-Ｅエンジンの出力とトルクの図。
【図９】サイド・バルブ式の燃焼室の図。
【符号の説明】
【００２０】
１・・・主燃焼室
２・・・副シリンダー
３・・・主シリンダー
４・・・連絡通路
５・・・リンダーヘッド
６・・・摺動する弁本体
７・・・主ピストン
８・・・第一圧縮リング
９・・・点火プラグ
１０・・・コンロッド
１１・・・副シリンダーの開口部
１２・・・第二圧縮リング
１３・・・吸気の副流路または排気ガスの副流路
１４・・・副シリンダーの内部空間
１５・・・スリーブ
１６・・・主シリンダー用の吸気の流路または主シリンダー用の排気ガスの流路
【図１】
2010190041.tif 000003
【図２】
2010190041.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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